CN108318946A - 焦距随空间分布变化的曲面微透镜阵列的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种焦距随空间分布变化的曲面微透镜阵列的制作方法，在已经制备好的母版上制备平面微透镜阵列PDMS薄膜，然后做一个沿着径向厚度变化的PDMS薄膜，接着往上浇覆一层PDMS，将平面微透镜阵列薄膜置放在上面，固化后就做成旋转对称、径向厚度变化的平面微透镜阵列；将平面微透镜阵列固定在密闭的夹具上，改变内外压强差可制得曲面微透镜阵列，每一个的小透镜的曲率、直径、间隔的角度都相同，沿着径向膜厚不一样，成了焦距随空间分布变化的曲面微透镜阵列。该方法步骤简单，不需要复杂的设备，成本低；相比平面微透镜阵列，具有类似昆虫复眼所具有的广视角特点，且可以通过压强差改变微透镜阵列的弯曲程度来改变曲面微透镜阵列的聚光范围。

Description

焦距随空间分布变化的曲面微透镜阵列的制作方法

技术领域

本发明涉及一种光学仪器制作技术，特别涉及一种焦距随空间分布变化的曲面微透镜阵列的制作方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展，光学成像系统被广泛的应用于每个领域，如在制导系统中的应用、遥感成像中的应用、红外夜视仪中的应用、医疗器械中的应用等，因此人们对其的要求也不断提高，希望其朝着体积更小、质量更轻、视场角更大的方向发展。所以仿生复眼成为现如今人们研究的一个前沿课题。

在自然界中，生物复眼是由聚集在一起的一簇“小眼”所构成，通常整个复眼呈曲面结构。通过这些小眼可以将整个视场分成若干部分，每个小眼对应一定的视场角，只负责观察视场中的一部分。位于小眼后面的感光细胞将每个小眼观察到的情况采集下来，接合在一起就形成了整个视场的完整像。目前，科学工作者们根据生物复眼的结构及其成像原理，制造出了许多光学系统仿生的曲面复眼微透镜。制造仿生复眼透镜的难点在于如何实现曲面微透镜阵列焦面的最优化控制，可以用平面CCD进行探测。

对于现有的可用于制作曲面微透镜阵列的工艺可大致分为两种：

1.在曲面的基底上逐点进行加工制作出曲面微透镜阵列,通过激光直接在在球面上光刻的方式来制作曲面微透镜阵列，这种方法能制作出较为完美的曲面微透镜阵列，但是该方法需要较为精密且昂贵的可旋转移动激光发射源，因此制作成本很高，不适合大批量生产。

2.利用弹性材料对基板进行倒膜，先制作一个弹性的平面微透镜阵列元件，在通过外力使平面阵列变形为有一定曲率的曲面，这种方法具有可调谐性。

发明内容

本发明是针对曲面微透镜阵列制作存在的问题，提出了一种焦距随空间分布变化的曲面微透镜阵列的制作方法, 可以实现曲面微透镜阵列的快速、低成本制造，具有较好的可重复性。能够实现曲面微透镜阵列焦面的最优化控制，可以用平面CCD进行探测。

本发明的技术方案为：一种焦距随空间分布变化的曲面微透镜阵列的制作方法，具体包括如下步骤：

1）、以玻璃片作为基板，在基板形成由正光刻胶构成的微透镜形状的间距凸起阵列，作为平面微正透镜阵列母版；

2）、在母版表面上倾倒环氧树脂液体覆盖至整个间距凸起阵列，取一表面平整玻璃片作为基底，覆盖在环氧树脂胶上面，施加压力至玻璃片上使其与环氧树脂胶接触平整；将整个母版、环氧树脂胶和玻璃片基底整体加热，加热到60～70摄氏度，当环氧树脂胶固化后，取下玻璃片并将环氧树脂胶与母版分离，形成环氧树脂胶凹形微透镜阵列；

3）然后在环氧树脂胶凹形微透镜阵列上浇覆液体PDMS，放入烘箱内30～40°C下加热一定时间后，将固化的PDMS揭下，将固化的PDMS与凹形微透镜阵列分离，制得PDMS平面微透镜凸形阵列薄膜；

4）在一个设定好的模具上，模具由金属铜构成，底面是一个光滑平面，平面上有一个高度为0.5mm的三角圆椎体，然后往模具上浇筑一层厚度为2mm的PDMS液体，完全覆盖三角圆椎体，接着放入烘箱内30～40°C下加热一定时间后，将固化的PDMS与模具分离，制得径向厚度不均的薄膜，中心薄边缘厚；

5）在径向厚度不均匀的PDMS薄膜上浇筑一层0.5mm的液体PDMS，然后将PDMS平面微透镜凸形阵列薄膜平面一面放置在上面，自然固化后制作出一种旋转对称，径向厚度变化的平面微透镜凸形阵列薄膜；

6）将步骤5）得到的平面微透镜凸形阵列薄膜固定在一个圆柱的密闭容器内，旋转对称、径向厚度变化的平面对着密闭容器腔体，改变密闭容器腔体内外压强差可制得曲面微透镜阵列，由于面元的表面张力一致，沿着径向薄膜的厚度变化不一样，做成了焦距随空间分布变化的曲面微透镜阵列，每一个的小透镜的曲率、直径、间隔的角度都相同，沿着径向膜厚不一样。

所述步骤1）的具体制作步骤如下：

A:取一片表面平整的玻璃片作为基板，将玻璃片用清水和丙酮清洗后，置于烘箱中，在130℃下烘烤 10 分钟除去水汽和残余丙酮，烘烤后进行氧气等离子体处理，增加玻璃片的表面能;

B:将正光刻胶旋涂于清洗好的基板上，经过前烘后，在基板一面形成均匀胶层，将基板胶层一面至于事先制作好的圆孔掩模板下进行紫外曝光, 基板与圆孔掩模板间隔但平行，紫外垂直照射在圆孔掩模板上，圆孔掩模板包括透光区以及若干分散在透光区且呈圆形的遮光区；接着将曝光后的基板至于质量百分比 5% 的氢氧化钠溶液中，将曝过光的正光刻胶在显影液下去除掉；

C：将制备的带有圆柱形正光刻胶的基板至于平整烘台上，加热至130摄氏度，加热时间为 100 秒，正光刻胶会融化，在表面张力的作用下，自动形成微透镜形状的间距凸起阵列，热熔完成后，立即将基板取出，等待其冷却固化后，母版的制作完成。

本发明的有益效果在于：本发明焦距随空间分布变化的曲面微透镜阵列的制作方法, 该方法步骤简单，不需要复杂的设备，成本低；相比平面微透镜阵列，本专利制作的曲面微透镜阵列具有类似昆虫复眼所具有的广视角特点，且可以通过压强差改变微透镜阵列的弯曲程度来改变曲面微透镜阵列的聚光范围；本发明的焦距随空间分布变化的曲面微透镜阵列，与传统的曲面微透镜阵列结构相比，这种新型的结构能实现曲面微透镜阵列焦面的最优化控制，可以用平面CCD进行探测。

附图说明

图1为本发明平面微透镜阵列薄膜的制备流程示意图；

图2为本发明制作径向厚度不均的PDMS薄膜的模具截面图；

图3为本发明旋转对称，径向厚度不均的平面微透镜阵列薄膜图；

图4为本发明密闭的容器样式结构示意图；

图5为本发明焦距随空间分布变化的曲面微透镜阵列侧面图。

具体实施方式

本发明公开了一种焦距随空间分布变化的曲面微透镜阵列的制作方法，如图1所示，包括下列工艺步骤 ：

1、取一片表面平整的玻璃片作为基板，将玻璃片用清水和丙酮清洗后，置于烘箱中，在130℃下烘烤 10 分钟除去水汽和残余丙酮，烘烤后进行氧气等离子体处理，增加玻璃片的表面能。

2、将正光刻胶（AZ4620）旋涂于清洗好的基板上，经过前烘后，在基板一面形成均匀胶层，将基板胶层一面至于事先制作好的圆孔掩模板下进行紫外曝光, 基板与圆孔掩模板间隔但平行，紫外垂直照射在圆孔掩模板上，圆孔掩模板包括透光区以及若干分散在透光区且呈圆形的遮光区,此外，曝光时间和剂量应该根据胶层厚度和光强决定。接着将曝光后的基板至于质量百分比 5% 的氢氧化钠溶液中，由于曝过光的正光刻胶（AZ4620）能在显影液下去除掉，能够显影出圆柱形图案，显影时间要根据正光刻胶（AZ4620）厚度决定。

3、将制备的带有圆柱形正光刻胶（AZ4620）的基板至于平整烘台上，加热至130摄氏度，加热时间为 100 秒。正光刻胶（AZ4620）会融化，在表面张力的作用下，自动形成微透镜形状的间距凸起阵列。热熔完成后，立即将基板取出，等待其冷却固化后，母版的制作也就完成了。

4、在母版表面上倾倒环氧树脂液体覆盖至整个间距凸起阵列，取一表面平整的玻璃片作为一基底，覆盖在环氧树脂胶上面，施加压力至玻璃片上使其与环氧树脂胶接触平整。接着将整个母版，环氧树脂胶，玻璃片基底整体加热，加热至60～70摄氏度，当环氧树脂胶固化后，取下玻璃片并将环氧树脂胶与母版分离，完成环氧树脂胶的凹形微透镜阵列的制作。

5、在凹形微透镜阵列上浇覆厚度为1mm的液体PDMS，接着放入烘箱内30～40°C下加热一定时间后，将固化的PDMS与凹形微透镜阵列分离，制得PDMS平面微透镜凸形阵列薄膜。

6、在一个设定好的模具上，模具由金属铜构成，底面是一个光滑平面，平面上有一个高度为0.5mm的三角圆椎体，具体见附图2，然后往模具上浇筑一层厚度为2mm的PDMS液体，完全覆盖三角圆椎体，接着放入烘箱内30～40°C下加热一定时间后，将固化的PDMS与模具分离，制得径向厚度不均的薄膜，具有中心薄边缘厚的特点。

7、在这种径向厚度不均匀的PDMS薄膜上浇筑一层0.5mm的液体PDMS，然后将PDMS平面微透镜凸形阵列薄膜平面一面放置在上面，自然固化后制作出一种旋转对称，径向厚度变化的平面微透镜凸形阵列薄膜，厚度最薄到最厚为3.0mm-3.5mm，如图3所示。

8、将这种旋转对称、径向厚度变化的平面微透镜凸形阵列薄膜固定在一个圆柱的密闭容器内，如图4所示，旋转对称、径向厚度变化的平面对着密闭容器腔体，密闭容器的右侧有一个直径3mm小孔，通过小孔往容器腔体内充气使其内部压强达到121kPa（内外压强差约为20kpa），内外压强差达到大约20kPa，可使得平面微透镜凸形阵列改变为曲面微透镜凸形阵列，由于面元的表面张力一致，沿着径向薄膜的厚度变化不一样，导致相应位置产生应变不一样，造成对应单个小透镜焦距改变量不一样，这样就做成了焦距随空间分布变化的曲面微透镜凸形阵列，如图5所示，每一个的小透镜的曲率、直径、间隔的角度都相同，沿着径向膜厚不一样，导致焦距不同。

Claims (2)

1.一种焦距随空间分布变化的曲面微透镜阵列的制作方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1）、以玻璃片作为基板，在基板形成由正光刻胶构成的微透镜形状的间距凸起阵列，作为平面微正透镜阵列母版；

2）、在母版表面上倾倒环氧树脂液体覆盖至整个间距凸起阵列，取一表面平整玻璃片作为基底，覆盖在环氧树脂胶上面，施加压力至玻璃片上使其与环氧树脂胶接触平整；将整个母版、环氧树脂胶和玻璃片基底整体加热，加热到60～70摄氏度，当环氧树脂胶固化后，取下玻璃片并将环氧树脂胶与母版分离，形成环氧树脂胶凹形微透镜阵列；

3）然后在环氧树脂胶凹形微透镜阵列上浇覆液体PDMS，放入烘箱内30～40°C下加热一定时间后，将固化的PDMS揭下，将固化的PDMS与凹形微透镜阵列分离，制得PDMS平面微透镜凸形阵列薄膜；

4）在一个设定好的模具上，模具由金属铜构成，底面是一个光滑平面，平面上有一个高度为0.5mm的三角圆椎体，然后往模具上浇筑一层厚度为2mm的PDMS液体，完全覆盖三角圆椎体，接着放入烘箱内30～40°C下加热一定时间后，将固化的PDMS与模具分离，制得径向厚度不均的薄膜，中心薄边缘厚；

5）在径向厚度不均匀的PDMS薄膜上浇筑一层0.5mm的液体PDMS，然后将PDMS平面微透镜凸形阵列薄膜平面一面放置在上面，自然固化后制作出一种旋转对称，径向厚度变化的平面微透镜凸形阵列薄膜；

6）将步骤5）得到的平面微透镜凸形阵列薄膜固定在一个圆柱的密闭容器内，旋转对称、径向厚度变化的平面对着密闭容器腔体，改变密闭容器腔体内外压强差可制得曲面微透镜阵列，由于面元的表面张力一致，沿着径向薄膜的厚度变化不一样，做成了焦距随空间分布变化的曲面微透镜阵列，每一个的小透镜的曲率、直径、间隔的角度都相同，沿着径向膜厚不一样。

2.根据权利要求1所述焦距随空间分布变化的曲面微透镜阵列的制作方法，其特征在于，所述步骤1）的具体制作步骤如下：

A:取一片表面平整的玻璃片作为基板，将玻璃片用清水和丙酮清洗后，置于烘箱中，在130℃下烘烤 10 分钟除去水汽和残余丙酮，烘烤后进行氧气等离子体处理，增加玻璃片的表面能;

B:将正光刻胶旋涂于清洗好的基板上，经过前烘后，在基板一面形成均匀胶层，将基板胶层一面至于事先制作好的圆孔掩模板下进行紫外曝光, 基板与圆孔掩模板间隔平行，紫外垂直照射在圆孔掩模板上，圆孔掩模板包括透光区以及若干分散在透光区且呈圆形的遮光区；接着将曝光后的基板至于质量百分比 5% 的氢氧化钠溶液中，将曝过光的正光刻胶在显影液下去除掉；

C：将制备的带有圆柱形正光刻胶的基板至于平整烘台上，加热至130摄氏度，加热时间为 100 秒，正光刻胶会融化，在表面张力的作用下，自动形成微透镜形状的间距凸起阵列，热熔完成后，立即将基板取出，等待其冷却固化后，母版的制作完成。